（控制科学与工程专业论文）独立光伏发电系统的控制策略及其应用研究.pdf

， 广 i一， 、 、 原创性声明 j f f f j | | f j y 1718 5 8 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期：五止年j 月土日 摘要 由于常规能源的短缺，人们开始重视新能源的开发与应用，特别 是清洁、无污染的太阳能光伏发电技术，其中独立光伏发电系统已经 广泛应用。独立光伏发电系统的传统充电控制策略导致系统效率低 下、铅酸蓄电池易老化等缺陷。研究独立光伏发电系统的控制策略解 决上述问题是论文的主要内容，对太阳能的开发与利用有着重要的意 义。 首先，本文针对铅酸蓄电池难以完全吸收光伏电池阵列输出电能 的问题，提出利用铅酸蓄电池自放电，增大蓄电池可接受充电电流的 基于放电脉冲的三阶段充电法，使铅酸蓄电池完全吸收光伏电池阵列 转换的电能。 其次，本文针对独立光伏发电系统中光伏电池阵列与铅酸蓄电池 匹配不合理的问题，提出充放电协调控制策略。在充电时，采用基于 放电脉冲的三阶段充电法，增强铅酸蓄电池对电能的吸收能力；同时， 对光伏电池阵列采用最大功率跟踪算法，增大光伏电池阵列的输出； 在铅酸蓄电池即将充满时，采用小电流恒流充电使铅酸蓄电池的端电 压上升至过充点电压，确定其荷电状态。在放电时，根据检测铅酸蓄 电池端电压和估算其荷电状态对铅酸蓄电池进行双重保护，延长其使 用寿命。 最后，将本文提出的控制策略应用于设计开发的独立光伏发电实 验系统，通过实验验证了充电协调控制策略，可以提高独立光伏发电 实验系统的效率。本文提出的充电控制策略有效、简单、实用，为高 效利用太阳能提供了一种途径。 关键字：光伏电池阵列，铅酸蓄电池，基于三阶段的充电法，最大功 率跟踪，充电协调控制策略 a bs t r a c t a st h es h o r t a g eo fc o n v e n t i o n a le n e r g y , t h e t e c h n o l o g yo fn e w e n e r g yh a sb e e np a i dal o to fa t t e n t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec l e a na n dn o n p o l l u t i o n f l e ep h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y , s u c h a st h e i n d e p e n d e n t p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sw i d e l yu s e d h o w e v e r , t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o l s t r a t e g yo fi n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cp o w e r s y s t e mr e s u l t si nl o we f f i c i e n c y , l e a d a c i db a t t e r i e sa g i n ga n ds o m eo t h e r p r o b l e m s s o ，t h i st h e s i sa d d r e s s e st h i sp r o b l e m t of i n dac o n t r o ls t r a t e g y f o ri n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m ，w h i c hw il l g r e a t l yp r o m o t e i t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n f i r s t l y , t os o l v et h ep r o b l e mt h a tl e a d a c i db a t t e r yi sd i m c u l tt o c o m p l e t e l ya b s o r bt h ee n e r g yc o n v e r t e db yp h o t o v o l t a i cc e l la r r a y s ，t h e t h r e e s t a g ec h a r g i n gm e t h o db a s e do nd i s c h a r g ep u l s ei sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s t h i sm e t h o du t i l i z e sl e a d a c i d b a t t e r y ss e l f - d i s c h a r g i n g t o i n c r e a s ei t sa c c e p t a b l ec h a r g i n gc u r r e n ta n dm a k e sl e a d - a c i db a t t e r yf u l l y a b s o r bt h ee n e r g yc o n v e r t e db y p h o t o v o l t a i cc e l la r r a y s t h e n ，ac o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo fc h a r g i n gi sp r o p o s e dt od e a l w i t ht h em a t c h i n gp r o b l e mb e t w e e n p h o t o v o l t a i cc e l la r r a y sa n dl e a d a c i d b a t t e r y m a t c hu n r e a s o n a b l ei nt h e i n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m t h ed i s c h a r g ep u l s eb a s e dt h r e e s t a g ec h a r g i n g m e t h o di su s e dw h e nc h a r g i n g m e a n w h i l e ，t oi n c r e a s ep h o t o v o l t a i cc e l l a r r a y s o u t p u t ，t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n ga l g o r i t h mi se m p l o y e d t h e n ，s m a l lc o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n gi su s e db e f o r ef i n i s h i n gc h a r g i n g ， w h i c hc a nm a k et h el e a d - a c i db a t t e r y st e r m i n a lv o l t a g ei n c r e a s et ot h e o v e r c h a r g ep o i n tv o l t a g ea n dd e t e r m i n et h el e a d - a c i db a t t e r y ss t a t eo f c h a r e ( s o c ) t h ed i s c h a r g i n gc o u r s ei sp r o t e c t e db ym e a s u r i n gi t sv o l t a g e a n d e s t i m a t i n gi t ss o c f i n a l l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e di nt h i st h e s i si sa p p l i e di n i n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cp o w e re x p e r i m e n t a ls y s t e m t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h i ss t r a t e g yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fi n d e p e n d e n c e p h o t o v o l t a i cp o w e re x p e r i m e n ts y s t e ma n dp r o v i d e saw a yt ou s es o l a r e n e r g ye f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i c c h a r g i n gm e t h o db a s e d t r a c k i n g c e l l a r r a y s ；l e a d a c i db a t t e r y ；t h r e e - s t a g e o n d i s c h a r g ep u l s e ；m a x i m u mp o w e rp o i n t i i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究内容5 1 4 论文结构6 第二章独立光伏发电系统的控制结构设计7 2 1 独立光伏发电系统的组成7 2 1 1太阳能电池组件7 2 1 2 铅酸蓄电池1 1 2 2 独立光伏发电系统的控制需求分析1 4 2 3 独立光伏发电系统的控制结构1 6 2 4 小结l7 第三章独立光伏发电系统的充电控制策略1 9 3 1 独立光伏发电系统的充电方法“1 9 3 1 1铅酸蓄电池常用的充电方法1 9 3 1 2 独立光伏发电系统中铅酸蓄电池的充电方法2 3 3 1 3基于放电脉冲的三阶段充电法2 3 3 2 基于最大功率跟踪算法的充电控制策略2 6 3 2 1最大功率跟踪算法2 6 3 2 2 最大功率跟踪算法的实现2 9 3 3 充电协调控制策略3 3 3 4 能量管理3 4 3 4 1能量管理的实现方法3 4 3 4 2能量管理与充电控制策略的关系3 6 3 5 小结3 6 第四章独立光伏发电系统的控制实现与实验分析3 7 4 1 实验系统的结构设计3 7 4 2 充电控制电路的设计3 9 4 3 数据采集模块的设计4 l 4 4 串口通信模块的设计4 4 4 5 控制策略在的实现与实验结果分析4 6 4 5 1 控制策略的软件设计4 6 4 5 2 控制实验的结果分析5 1 4 6 小结5 7 第五章结论与展望5 8 5 1 结论5 8 5 2 展望5 9 参考文献6 0 致谢6 4 攻读学位期间主要的研究成果。6 5 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着哥本哈根世晃气候会议的举行，二氧化碳排放、低碳经济已经成为炙手 可热的话题，这不仅是国家之间的博弈，而且关系到国家的经济发展。人类对资 源的过度开采和利用，特别是对能源的开发与利用，导致愈来愈多的环境问题， 严重威胁着人类的生存环境。越来越多的人开始意识到问题的严重性，对能源的 开发也愈来愈关注，特别是新能源的开发领域。 1 1 研究背景及意义 能源是社会和经济发展的重要物质基础l lj ，也是提高人类生活水平的前提条 件。但是随着世界人口的增长和人类工业化水平的不断提高，能源短缺和环境污 染问题同益严重。 当前人们使用的常规能源( 煤炭、石油、天然气等) 都属不可再生的化石燃料。 化石燃料提供世界9 1 的一次商品能源【2 j ，其中煤炭占2 8 ，石油超过4 0 。然 而，地球上矿物燃料的储量是有限的，而且由于人类无限制地丌采，已渐趋于枯 竭。据统计，人类每年要燃烧4 0 亿吨煤、2 5 亿吨石油，并以每年3 的速度增长， 不到本世纪末传统能源都已经耗尽。同时，传统能源在开采、运输和使用过程中 都会对空气和人类生存环境造成严重的污染。根据相关资料显示，目前，大量使 用传统能源己经为人类生存环境带来了污染，由于大量使用传统能源，全世界每 天产生约l 亿吨温室效应气体，使得地球表面气温逐年升高。近若干年来全球二 氧化碳的排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化， 这可能会使四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。 能源问题和环境问题已经成为人们普遍关注的焦点【3 】。寻找和利用新能源、 人类生存环境的改善已经迫在眉睫。新能源应以可再生能源为基础，专家们一方 面呼吁发展节能技术，另一方面，从能源系统和环境保护的角度提出要开发使用 可再生能源，减少或取代对传统能源的依赖。然而，太阳能作为一种清洁无污染 的可再生能源，储量巨大，每年到达地球陆地表面的太阳辐射能量相当于燃烧1 3 1 0 6 亿吨标准煤，而且分布广泛，可再生，不污染环境，是传统能源的主要替 代之一。 中国是一个太阳能资源丰富的国裂训，除了四川盆地及其毗邻地区外，绝大 多数地区拥有丰富的太阳能资源，陆地每年接收太阳辐射能量相当于燃烧1 7 0 0 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 亿吨标准煤。因此，在我国大力开发太阳能具有可行性。 太阳能光伏发电技术作为利用太阳能的一种方式【5 】。以太阳能电池技术为核 心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发 电，具有明显的优点：结构简单，体积小且轻，独立供电的太阳能电池组件结构 都比较简单；容易安装运输，建设周期短，只要将太阳能电池支撑并面向太阳即 可发电，宜于制成小功率移动电源；维护简单，使用方便；清洁、安全、无噪声， 光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源；可靠性高， 寿命长，并且应用范围广。 二十一世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。由于传统能源( 如煤、石 油、天然气等) 的供给己出现短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。 大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的 多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构己成为 人们关注的焦点。作为无污染的清洁能源之一太阳能越来越受到大家的关注，尤 其在解决偏远地区的用电问题，发挥着重要的作用。 1 2 国内外研究现状 现在由于能源十分紧张，各国都开始重视对太阳能光伏发电的开发与利用。 太阳能光伏发电技术是利用根据光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能 转化为电能的发电技术6 1 。欧盟、日本、美国都采取了一定的措施【7 1 ，启动了很 多光伏发电研究项目，致力推动光伏发电产业的发展。 我国太阳能资源非常丰富，与美国相近，比欧洲、日本优越的多，有巨大的 开发潜能。我国光伏发电产业的大发展在2 0 0 0 年以后，主要受国际大环境的影响、 国际项目、政府项目的启动和拉动，与此同时基于光伏发电系统的开发与研究在 加快地进行。 围绕降低光伏发电成本的各种研究工作一直在发达国家中进行，其中以晶体 硅材料为基础的高效光伏电池和各种薄膜光伏电池为基础的研究工作是热点课 题。澳大利亚新南威尔士大学研制的高效单晶硅光伏电池效率已经达到了2 4 7 ， 美国、日本和德国也达到了2 3 。多晶硅薄膜光伏电池的实验室效率己达2 7 ， 成为世界关注的新热点【8 】。光伏发电与建筑结合是目前世界上大规模利用光伏发 电技术发电的研究和开发热点，美国、日本和欧盟各国都在作为重点项目积极地 进行，除在屋顶安装光伏电池外，已推出把光伏电池装在瓦片内的产品和光伏幕 墙【9 1 。 2 中南大学硕十学位论文第一章绪论 独立光伏发电系统有太阳能电池组件、控制器、蓄电池组和负载组成。其中 系统控制器是根据蓄电池的特性，对蓄电池实施充电和放电控制的设备。蓄电池 的寿命决定了光伏系统的寿命，因此为了最大的延长蓄电池的使用寿命，充放电 控制器应对蓄电池进行有效的充电、防止过度充电或过度放叫1 0 】。光伏发电系 统的蓄电池充放电控制，比其他应用场合充放电的控制要困难，因为光伏发电系 统所供给的电力带有很大的不确定因素，同时运行也很不稳定。蓄电池自身的充 电和放电特性不是一成不变的，它与蓄电池的使用过程及蓄电池的新旧程度有 关，光伏发电系统由于受环境影响，蓄电池的使用不会像其他应用那样有稳定的 充放电环境。控制器的充放电控制策略直接影响了蓄电池的充放电的效果，不当 很容易影响蓄电池的寿命。系统控制器的好坏直接决定了系统的效率和蓄电池的 寿命，一个好的控制器对独立光伏发电系统而言是很重要的【l 。 就独立光伏发电系统的控制器国内外都做了大量的研究，主要是体现在充放 电策略和蓄电池特性的研究上。 在国外，h a r r i n g t o n 等就独立光伏发电系统的控制器的特征做了详细的分析， 其中蓄电池过充后重新连接电压是决定控制器效率的重要因素【1 2 1 ，但是没有指 出如何界定过充后的重新连接电压，使用起来也不是很方便。w o o d w o r t h 等通过 实验对过充电压调节点对蓄电池水分的丢失，蓄电池的容量和系统的稳定性做出 了分析，最后对控制器的设计以及蓄电池水分丢失做出了相关结论i l3 1 ，但是不 同的电池可能存在不同的过充电压调节点，虽然过充电压调节点比较重要，但还 是难以确定。 y a m a z a k i 提出双控制器的方法，充电控制和放电控制采用各自的控制器【l4 1 ， 在小型独立光伏发电系统中显得不是很适用，一是因为独立光伏发电系统结构简 单，双控制器无疑会增加制作成为，不利于光伏发电技术的推广，而是双控制器 会耗费更多的电量。后来，s a n i d a d 等提出了在拥有很多光伏电池的系统中，通 过逐渐断开光伏电池与蓄电池的连接来控制蓄电池的充电【1 5 】，但是一般的独立 光伏发电系统的光伏电池阵列有限，因此不具有实用性。a k k a y a 等提出一种基 于p i c 单片机调节d c d c 转换器实现系统充电电流的调节的控制器，同时通过 p i c 实现逆变器的电流的闭环控制i l ，这种控制结构被大量用于现有的独立光 伏发电系统控制器的设计之中，遗憾的是没有对控制方法进行探讨，以及如何提 高系统效率。 k o u t r o u l i s 等根据蓄电池的荷电状态、充电电压和充电电流之问的关系，提 出的控制策略【i8 1 ，这种方法比传统充电控制策略要优越一点，因为不要采用其 他手段就可以准确判断出蓄电池的荷电状态s o c 达到1 0 0 ，但是也存在一定的 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 缺陷，因为在独立光伏发电系统中配置的光伏电池阵列的功率都比较小，输出的 电流很难达到恒流充电所要求的电流，所以不能完全按照提出的充电控制曲线充 电。a r m s t r o n g 等就几种常用的充电策略在同样的条件下通过实验比较间断充电， 三阶段充电，脉冲充电三种充电方法，最后得到三阶段充电方法最适合独立光伏 发电系统中充电方法【l9 1 ，间断充电、脉冲充电都是快速充电的充电方式，因为 独立光伏发电系统的输出功率有限，导致不适用，而三阶段充电方法虽然效率比 快速充电方法的效率要高，但是由于蓄电池的长期欠充，导致蓄电池的活性降低， 应用起来还是存在一定的缺陷。 i e e e 也针对独立光伏发电系统的安装和调试在2 0 0 3 年矛1 1 2 0 0 7 年制定了专门 的标准，并给一般的独立光伏发电系统的蓄电池的调节点电压给出了建议【2 0 2 ， 这些都直接推动光伏发电技术的发展。 光伏发电系统由于考虑到能源有限、成本投资有限及充电电源特殊等特点， 因此在光伏发电系统中的充电控制有其特殊性。随着科学技术的发展，现在丌始 向含有最大功率点跟踪( m p p t ) 、风光结合的光伏系统，以及光伏发电系统并入 电网的逆变器等方面进行研究【2 2 2 5 】。国内同时就独立光伏发电系统的蓄电池容 量估算以及影响其容量的诸多因素2 6 2 9 1 ，组件倾角和经济指标等方面也做了大 量的研究【3 u 32 | 。 在国内，这方面的研究起步较晚。不过随着光伏发电产业的发展，现在国内 的学者加快了在这方面的研究。 浙江大学提出采用轮流离线式电压检测方法，分析蓄电池状态采取不同的充 电策略，实验证明此方法增加了蓄电池的使用次数【3 3 1 ，但是没有提高系统效率， 没有充分利用光伏电池阵列，损失了部分光伏电池阵列转换的能量。华南理工大 学提出了一种新的蓄电池的充电控制策略充分利用太阳能，根据太阳能电池输出 功率与蓄电池能够吸收功率的不同采取不同的充电方法，提高系统的效率同时保 护了蓄电池【3 4 】，由于独立光伏发电系统配置的光伏电池的功率很小，给蓄电池 充满电需要较长时间，当蓄电池不能吸收光伏电池的输出功率的时候采取快速充 电技术提高的系统效率始终有限，反而浪费了光伏电池转化的能量。 广州工业大学提出了一种基于组态优化的间歇脉冲充电法，在弱光的条件下 提高蓄电池的充电效率【3 5 1 。在弱光照条件下，光伏电池阵列的输出功率本身就 比较低，而采取间歇式脉冲充电对充电效率的提高本身就是不利的。国内同时还 有很多人也对独立光伏发电系统的控制器进行研究，纷纷提出自己的见解1 3 6 3 引， 但是大多的是讨论都是从设计控制器的角度出发，如何去设计一个控制器，而没 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 有从提高效率的角度出发去考虑，同时并没有得出比较有价值的实验结果。 国内现在很多系统也多考虑了最大功率跟踪的问题，在这方面也做出了相关 的研究【3 9 螂】，对最大功率跟踪的方法进行比较研究，同时也应用在独立光伏发 电系统之中，但是也存在问题，主要表现在：一是没有理顺最大功率跟踪与蓄电 池充电之间的关系；二是没有分析系统效率不高的真正原因，一直误以为都是因 为光伏电池的转换效率不高导致系统效率低。同时混合能源相结合利用的研究， 以及并网光伏发电系统的研究都在继续进行 47 。，推动着光伏发电技术的发展。 虽然国内的小功率的独立发电系统应用比较广泛，但是据今年权威部分的调 查显示，我国小型独立光伏电源的合格率只有3 0 【4 8 1 ，这充分说明在光伏发电的 应用过程中还存在许多问题【4 9 1 ，例如设计不规范，设计不符合国家标准等问题； 同时也说明在独立光伏发电系统的实际应用过程中还有许多工作去完成。本课题 就是在现存独立光伏发电系统控制器的基础上，遵循相关标准【5 0 1 ，采用一种可 取易实现的充放电控制策略解决现存中的不足，从而使小型独立光伏发电系统得 到更好的应用。 1 3 研究内容 本文主要是在掌握独立光伏发电系统组成及各部分性能的基础上，研究系统 充放电控制方法，实现对蓄电池的高效充电，同时对蓄电池进行保护，避免蓄电 池过充或过放，延长蓄电池的使用寿命。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析独立光伏发电系统的组成结构及工作原理，找出独立光伏发电系统 充电效率低下的原因； ( 2 ) 分析光伏电池阵列的输出特性，针对光伏电池阵列的最大功率输出进行 研究，提出一种改进型的最大功率跟踪方法； ( 3 ) 分析蓄电池的充电过程，针对蓄电池的充电方法进行研究，提出一种基 于放电脉冲的三阶段充电方法； ( 4 ) 分析独立光伏发电系统的运行情况，优化组合光伏电池阵列的最大功率 输出与蓄电池的充电过程，提出一种基于独立光伏发电系统的充电控制策略。 ( 5 ) 建立一个以l e d 庭院灯为负载的独立光伏发电实验系统，完成系统充电 主电路与外围电路的设计，并对提出的充放电控制方法进行验证。 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 1 4 论文结构 本文主要以独立光伏发电系统的充电过程作为研究对象，通过分析独立光伏 发电系统组成结构的特性，找出系统充电效率低下的原因，同时分析提高系统充 电效率的方式，克服造成系统充电效率低下的阻碍，优化组合光伏电池阵列与蓄 电池的充电，提出一种基于独立光伏发电系统的充电控制策略。 第二章深入分析独立光伏发电系统的组成结构，找出导致系统效率低下的原 因；分析独立光伏发电系统的控制需求，分析控制中存在的问题与难点。 第三章分析蓄电池的充电方法，提出一种更适合独立光伏发电系统中蓄电池 的充电方法；分析光伏电池阵列最大功率输出与蓄电池充电之间的关系，优化组 合光伏电池阵列与蓄电池的充电过程，提出一种基于独立光伏发电系统的充电控 制策略；分析蓄电池最后的充电过程，提出能量管理的方法，对蓄电池进行二次 保护。 第四章设计一个独立光伏发电实验系统，首先对系统的硬件结构进行设计， 强调重要组成部分的硬件设计；其次对充电控制策略进行详细设计，并在硬件结 构上进行验证实验；最后对实验结果进行分析。 第五章对本文进行总结，指出今后需要进一步开展的工作。 6 中南人学硕士学位论文第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 光伏发电系统分为独立光伏发电系统与并网光伏发电系统。并网光伏发电系 统刚将光伏电池通过逆变器与电网连接在一起，控制过程比较复杂。而本章讨 论的独立光伏发电系统，由于其功率比较小，因此结构显得比较简单。本章将深 入了解独立光伏发电系统的系统组成，对各个部分进行介绍，分析独立光伏发电 系统的控制需求，了解并设计其控制结构。 2 1 独立光伏发电系统的组成 独立光伏发电系统的结构如图2 1 所示，由太阳能电池组件、蓄电池、控制 器和负载组成。 图2 1 独立光伏发电系统结构 控制器在独立光伏发电系统相当于做桥梁连接太阳能电池组件、蓄电池和负 载，为独立光伏发电系统的核心部件。充电时，光伏电池接受太阳能并转换为电 能，经过控制器将电能储存在蓄电池内；放电时，蓄电池通过控制器连接负载， 负载得电工作。控制器对蓄电池的充放电进行控制，并对蓄电池的状态进行监视， 很好的保护了蓄电池，延长了蓄电池的寿命；同时控制器也可以对太阳能电池组 件的输出进行调节，追踪太阳能电池组件的最大功率，为蓄电池充电提供更多的 能量，提高独立光伏发电系统的工作效率。 2 1 1 太阳能电池组件 太阳能电池组件由众多的光伏电池构成，光伏电池有时也常被称为太阳能电 池，由半导体材料制成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。光伏阵 列的工作原理和特性由光伏电池决定。 7 中南大学硕士学位论文 第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 ( 1 ) 光伏电池的工作原理 太阳能电池是以半导体的光生伏打效应为基础【5 2 1 ，直接将光能转换成电能 的一种半导体器件。光生伏打效应是指物体吸收光能后，其内部能传导电流的载 流子分布状态和浓度发生变化，由此产生电流和电动势的效应。在气体、液体和 固体中均可发生这种效应，但在半导体中，光能转换为电能的效率是最高的。 ( 2 ) 光伏电池的工作模型 光伏电池的等效电路的理想形式和实际形式分另j t z h 图2 2 所示 + i d i ) 1 【 l r j 7 i i i i ii il t i d ) i 图2 - 2 光伏电池的等效电路图 图2 - 2 中i p h 为光生电流，厶为暗电流。无光照下的光伏电池的基本行为特性 就类似于一个普通二极管。所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由外加电压 作用下p n 结内流过的单向电流，它的大小反应出当前环境温度下，光伏电池p - n 结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。t 为光伏电池输出的负载电流， 为电池的丌路电压，光伏电池的开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境 温度成反比，与电池面积的大小无关。r ，为电池的外负载电阻。尺。为串联电阻， 一般小于1q ，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表 面间接触电阻和金属导体电阻等电阻组成。足。为旁路电阻，一般为几千欧姆。 它主要是由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的p - n 结漏泄 电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。一个理想的光伏电池，因串联的电阻尺。很 小，并联的尺呐很大，所以进行理想计算时，它们都可以忽略不计。由上述定义， 可列出光伏电池等效电路中各变量的方程式如下： i o 厶( e x p 籍一- ) ( 2 - ) i l = 厶一i o 一笔= 一ll 唧c 掣删悟u o 协2 ， 8 中南大学硕十学位论文第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 k = “唧等一， 亿3 ) = 等h 睁， 4 ) g f o一， 上述式子中，o 光伏电池内部等效二极管的p n 结反向饱和电流。它与该电池材 料自身性能有关，反应了光伏电池对光生载流子最大的复合能力。一般它是常数 不会受光照强度的影响。k 为电池的短路电流，u o 为等效二极管的端电压，q 为电子电荷，七为波尔兹曼常量，0 8 6 半1 0 。4e v 【，劝绝对温度。a 为p n 结的 曲线常数。弱光条件下，因乙 l ，又使得 = 等，n 6 ) g d l 由此可见，在太阳光较弱时，光伏电池的开路电压随光的强度呈近似线性的 变化，而当光较强时，u o 。则随光的强度呈对数关系变化。 ( 3 ) 光伏电池的工作特性 根据式( 2 - 1 ) 到式( 2 - 4 ) ，可得光伏电池的电压电流关系曲线，简称伏安特性曲 线如图2 3 所示。 2 0 0 要1 5 0 1 0 0 0 5 0 1 0 02 0 03 0 0 4 0 0 5 0 0 坝v ) 图2 - 3太阳能电池的伏安特性曲线 由图2 3 可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳能电池既非恒压源， 也非恒流源，是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似 9 中南大学硕+ 学位论文第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 恒定，但在接近开路电压时，电流下降率会很大，同时也受日照强度的影响，光 照强度大输出电流愈大，反之则愈小。 l o o o 8 0 0 6 0 0 已4 0 0 2 0 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 队v ) 图2 4太阳能电池的伏瓦特性曲线 根据伏安特性曲线可以计算出太阳能电池输出的伏瓦特性曲线，如图2 4 所 示。在不同的光照强度下，都有一个最大功率点。在最大功率点的左侧，太阳能 电池的输出功率随着工作电压的增加而增大；在最大功率点的右侧，太阳能电池 的输出功率随着工作点电压的增加而减小。同时发现，不同光照强度下最大功率 点所对应的工作电压各不相同，但是可以发现随着光照强度的增加，最大功率点 的工作电压也有所增大。 电池结温也是影响太阳能电池功率输出的重要参数。太阳电池在同一日照条 件下伏安特性随电池结温的升高而改变，温度升高，太阳能电池的开路电压减小； 同样太阳能电池的伏瓦曲线也随之发生变化，使得最大功率点所对应的工作电压 减小。 由于太阳能电池单元的输出功率很小，如果要想得到更大的输出功率，就得 把很多个这样小的太阳能电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成太阳能电 池组件。本文实验系统中所采用了两块太阳能电池组件，额定输出功率分别为 3 0 w p 、7 5 坳，额定工作电压分别为1 7 5 v 、1 7 v ，额定工作电流为1 8 a 、4 4 a 。 这些都是在不同环境下测量得到的，这些参数在不同的实际应用场合起指导作 用。 通过对太阳能电池的特性分析发现，太阳能电池是独立光伏发电系统中最重 要的部件，它将太阳能转化为电能。它将太阳能转换为电能的多少直接决定了独 立光伏发电系统中电能的多少，因此提高独立光伏发电系统的效率首先得提高太 阳能电池的效率。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 2 1 2 铅酸蓄电池 太阳辐射强度受气候、昼夜和季节等因素影响较大，白天太阳辐射强，太阳 能电池输出功率大，而在阴雨天或夜间，基本没有太阳能辐射，太阳能电池输出 功率就极小。在独立光伏发电系统中，希望在光照强时能把太阳能电池多余的输 出能量储存起来，以保证系统在光照弱时也能正常使用，这时就需要配备储能装 置。而光伏发电系统中常用的储能装置一般选择阀控式密封免维护铅酸蓄电池， 因为它具有容量大、价格低廉、寿命长、免维护、自放电率低、使用方便等优越 性，与传统的蓄电池相比，在使用、维护和管理上有着明显的优点，铅酸蓄电池 是目前光伏发电系统中最常用的储能单元。重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价 格较高，相对来说应用没有铅酸蓄电池广泛。 ( 1 ) 铅酸蓄电池的工作原理【5 3 】 铅酸蓄电池由正、负极板电解液和电解槽组成，正极板的活性物质是二氧化 铅尸6 仍，负极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅，电解液是浓度为2 7 0 0 , - 3 7 的硫酸水溶液，蓄电池的容量与极板面积有关。在充电过程中，电解液与正负极 板上的活性物质发生化学反应，把电能变成化学能储存起来；在放电过程中，电 解液与正负极板上的活性物质发生化学反应，把储存在蓄电池内的化学能变成电 能供给负载。电解槽是极板组和电解液的容器。其放电及充电的化学反应式如下： 竹由 尸6 q + p b + 2 h 2 s 0 4 藉兰2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 铅酸蓄电池在充电时，正极由硫酸铅( p b s 0 4 ) 转化为二氧化铅( p b 0 2 ) 后将电 能转化为化学能储存在正极板中；负极由硫酸铅( e b s 0 4 ) 转化为海绵状铅( 尸6 ) 后将电能转化为化学能储存在负极板中。 在放电时，正极由二氧化铅( p b 0 2 ) 变成硫酸铅( p b s 0 4 ) 而将化学能转换成电 能向负载供电；负极由海绵状铅( 尸6 ) 变成硫酸铅( p b s 0 4 ) 而将化学能转换成电能 向负载供电。 阀控式铅酸蓄电池与传统的铅酸蓄电池不同的是它在充电时正极板上产生 的氧气，再通过化合反应在负极板上还原成水，使用时在规定浮充寿命期内不必 加水维护，所以又称为免维护铅酸蓄电池。 ( 2 ) 蓄电池充放电过程中的极化过程【5 4 】 蓄电池的两个重要参数是容量和寿命，蓄电池的额定容量( c ) 通常作为电池 充放电速率的单位，例；t n 2 0 0 a h 的蓄电池，采用1 0 a 电流充电时，充电速率为c 2 0 。 不正确的充电方式不仅会降低电池的储能容量，还会缩短电池的使用寿命。2 0 中南人学硕士学位论文第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 t j 生乡i 6 0 年代美国科学家马斯( j am a s ) 以大量实验为基础，提出了以最低析气率 为前提的电池充电可接受定律，铅酸蓄电池可接受的充电电流是一条理想曲线， 如图2 5 所示。 充电电流， 了云电时间t 图2 - 5 蓄电池可接受充电电流曲线 从图2 5 中可以看出，当充电电流大于对应时刻蓄电池可接受电流时，会出 现过充析气现象，充电可接受电流定律是蓄电池科学充电的理论基础。但是直接 运用这条曲线充电有一定的难度，因为初始充电电流虽然很大，但它衰减很快， 能够维持大电流充电的时间并不长。是什么因素使蓄电池固有的可接受充电电流 必须以一定的比率衰减? 其实，影响蓄电池充电速度与充电电流的主要因素是充 电过程中产生的极化现象。铅酸蓄电池是可逆蓄电池，当蓄电池外加直流电压时， 便发生电解反应，蓄电池处于充电状态；而当蓄电池外接负载时，则处于放电状 态。 蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为蓄电 池的电极材料、溶液溶度等各种因素的差别而超过蓄电池的平衡电动势。在蓄电 池的化学反应中，这个电动势超过势力学平衡值的现象，称之为极化现象，极化 现象的产生归结为以下三方面的原因。 1 ) 浓差极化 当蓄电池不接负载时，电化学体系处于平衡状态。此时，电解质溶液的溶度 分布是各处均匀的。当蓄电池接上负载，其内部情况发生了变化。随着电极化学 反应的进行，电极表面的反应物一直在消耗，而生产物又在不断地生产，为了维 持平衡，最理想的情况应该是电极表面的反应物能及时得到补充，而生成物又必 须立即离去。然而，实际的情况是生成物以及反应物的扩散素的赶不上化学反应 的速度，以至造成极板附近电解质溶液溶度发生变化。也就是说，从电极表面到 中部溶液，电解质溶度分布是不均匀的，这种现象称为浓差极化。由于浓差极化 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 的存在，充电时必须施加一定的电压去克服它，造成了蓄电池分解电压( 即使蓄 电池电解质开始进行电解反应时必须施加的最小电压) 偏离平衡值，电极产生过 电位。电极化学反应的速度不但与电极附近的反应物溶度、生成物的溶度等因素 有关，而且在相当程度上还决定于电极所处的电位。所以过电位的产生加速了电 极化学反应的进程。长时间的大电流必须加剧浓差极化。最好的办法是在大电流 充电的过程中始终强烈地搅拌电解质溶液，促使离子迁移的速度与化学反应的速 度相同步。 2 ) 电化学极化 充电的过程是电极发生氧化还原反应的过程，反应过程必然受到动力学因素 的制约。所以，从动力学观点来分析，电极反应都是由几个步骤组成的。以正极 板反应为例，电极反应由以下几个步骤组成： p b s 0 4 专p b 2 + + s 0 4 2 p b 2 + 2 ej p b 4 + 4 h ，o - - - 4 h + + 4 0 h 。 p b 4 + + 4 0 h _ v b ( o h ) 。 p b ( o h ) 4 专p b 0 2 + 2 h 2 0 4 h + + 2 s 0 4 2 一2 h 2 s 0 4 在实际反应过程中，上述几个步骤反应速度不尽相同，其中必有一个步骤反 应速度最慢，从而成为要增加一定的电压去克服反应的活化能，这种现象就是电 化学极化现场。电化学极化同样造成了电极的过电位，使得电化学反应偏离了平 衡值。 电极反应速度决定了通过电解质溶液的电流。根据法拉第定律，若通过电解 质的电流强度为，则在f 时间内，不论是正极板还是负极板，发生氧化还原反 应的物质摩尔数均为 垅：里f ：i tf ( 2 7 ) ，2刀 若以d m d t 表示电极反应速度v ，则 1 v = d 肌d t = 二f ( 2 8 ) 刀 式中，n 、f 均为常熟。可以看出，电极反应的速度取决于充电电流。电流越大， 电极化学反应越快，而电极化化学反应的加速又加剧了浓差极化和电化学极化， 整个反应将难于进行，形成恶性循环。其后果是一部分得不到反应的电荷作用于 中南人学硕士学位论文第二章独立光伏发电系统的控制结构设计 水的溶解。其反应式为 负极板：4 h + + 4 ej2 h ，个 正极板：2 s 0 42 。+ 2 h 2 0 专2 h 2 s 0 4 + 0 2 个 由于氢气和氧气的析出，破坏了电极反应的可逆性，造成极板因活性物质脱 落而损坏。 3 ) 欧姆极化 蓄电池充电过程中，内部的正、负离子各向两级迁移。由于离子间的碰撞， 离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称之为欧姆内阻。为了克服改内阻， 多 i - n 电压就必须额外施加一定的电压以克服阻力推动离子迁移。若两级间内阻为 r ，则对应的外加电压为豫。该电压以热的方式转化给环境的能量为，2 尺。这 就是欧姆极化，欧姆极化随充电电流的急剧增大